Le MIT magnétise un matériau anti-ferromagnétique avec de la lumière

Des physiciens du MIT ont créé un nouvel état magnétique durable dans un matériau, en utilisant uniquement la lumière.

Dans une étude publiée dans Nature, les chercheurs indiquent qu’ils utilisent un laser térahertz – une source de lumière qui oscille plus d’un billion de fois par seconde – pour stimuler directement les atomes d’un matériau anti-ferromagnétique. Les oscillations du laser sont adaptées aux vibrations naturelles des atomes du matériau, de manière à modifier l’équilibre des spins atomiques vers un nouvel état magnétique.

Ces résultats offrent un nouveau moyen de contrôler et de commuter les matériaux anti-ferromagnétiques, qui sont intéressants pour leur potentiel de progrès dans le traitement de l’information et la technologie des puces à mémoire.

Dans les aimants courants, appelés ferromagnétiques, les spins des atomes pointent dans la même direction, de sorte que l’ensemble peut être facilement influencé et entraîné dans la direction d’un champ magnétique externe. En revanche, les anti-ferromagnétiques sont composés d’atomes dont les spins alternent, chacun pointant dans la direction opposée à celle de son voisin. Cet ordre haut, bas, haut, bas annule essentiellement les spins, ce qui confère aux anti-ferromagnétiques une magnétisation nette nulle, imperméable à toute attraction magnétique.

Si une puce mémoire pouvait être fabriquée à partir d’un matériau anti-ferromagnétique, les données pourraient être « écrites » dans des régions microscopiques du matériau, appelées domaines. Une certaine configuration des orientations de spin (par exemple, haut-bas) dans un domaine donné représenterait le bit classique « 0 », et une configuration différente (bas-haut) signifierait « 1 ». Les données écrites sur une telle puce seraient résistantes aux influences magnétiques extérieures.

Pour cette raison, entre autres, les scientifiques pensent que les matériaux anti-ferromagnétiques pourraient constituer une alternative plus robuste aux technologies de stockage existantes basées sur le magnétisme. Toutefois, un obstacle majeur réside dans la manière de contrôler les anti-ferromagnétiques de manière à faire passer le matériau d’un état magnétique à un autre de manière fiable.

« Les matériaux anti-ferromagnétiques sont robustes et ne sont pas influencés par les champs magnétiques parasites », explique Nuh Gedik, professeur de physique Donner au MIT. « Toutefois, cette robustesse est une arme à double tranchant : leur insensibilité aux champs magnétiques faibles rend ces matériaux difficiles à contrôler. »

En utilisant une lumière térahertz soigneusement réglée, l’équipe du MIT est parvenue à faire passer un anti-ferromagnétique à un nouvel état magnétique. Les anti-ferromagnétiques pourraient être incorporés dans les futures puces mémoire qui stockeront et traiteront davantage de données tout en consommant moins d’énergie et en occupant une fraction de l’espace des dispositifs existants, en raison de la stabilité des domaines magnétiques.

« En général, ces matériaux anti-ferromagnétiques ne sont pas faciles à contrôler », explique M. Gedik. « Nous disposons désormais de quelques boutons qui nous permettent de les régler et de les ajuster.

M. Gedik est l’auteur principal de cette nouvelle étude, à laquelle participent également Batyr Ilyas, Tianchuang Luo, Alexander von Hoegen, Zhuquan Zhang et Keith Nelson, coauteurs au MIT, ainsi que des collaborateurs de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière en Allemagne, de l’Université du Pays basque en Espagne, de l’Université nationale de Séoul et de l’Institut Flatiron à New York.

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